[논문]일본의 DGNSS인 MSAS 항법파라미터 분석

고광섭; 최창묵

doi:10.6109/jkiice.2017.21.8.1619

일본의 DGNSS인 MSAS 항법파라미터 분석
An Analysis of the Navigation Parameters of Japanese DGNSS-MSAS 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.8, 2017년, pp.1619 - 1625

고광섭 (Division of Maritime Transportation System, Mokpo Maritime University) , 최창묵 (Department of Navigation, Naval Academy)

초록
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민간에 상용화된 GNSS (Global Navigation Satellite System) 시스템은 정밀 PNT 서비스가 요구되는 분야에 적용하기 위한 요구 성능을 충족시키지 못한다. 따라서 일반적으로 위치 정밀도와 무결성 등을 향상시키기 위한 보정 시스템들이 다양하게 이용되고 있다. MSAS는 일본의 SBAS형 보정시스템이다. 본 논문에서는 일본의 MSAS 시스템이 한반도 영역에서 어떤 특성을 보이는지 분석하였다. 먼저, 시뮬레이션과 실험을 바탕으로 DGNSS 항법신호 및 항법파라미터 분석에 목적을 두고 수행하였다. 분석결과, MSAS 지상감시국과 한반도 남해안 수신점에서 3차원 위치 결정에 필요한 충분한 수의 항법위성이 동시에 관측되었으며, 수신점에서 MSAS 위성의 신호가 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 또한 MSAS 3차원 위치 정밀도는 2m (2drms) 수준으로 세계적으로 사용되고 있는 범용의 DGNSS 수준과 유사함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Civil global navigation satellite system (GNSS) does not meet user performance requirements for specific PNT (Positioning, Navigation, and Time) applications. Therefore, various differential systems are used to augment GNSS for improving positioning accuracy and integrity. The MTSAT satellite augmentation system (MSAS) is the Japanese satellite based augmentation system. This paper is for analyzing the characteristics of Japanese MSAS in Korean peninsula. First of all, it was done for analyzing not only DGNSS navigation signal but also the navigation parameter through simulation and experimental tests. As a result of data analyses, the sufficient navigation satellites to determine 3-D position based on DGNSS are simultaneously available at MSAS monitering station and the southern region of Korean peninsula. It was verified that the carrier to noise signals are stable to maintain the reliable 3-D position and that the level of 2m (2drms) accuracy is very similar to the ordinary worldwide DGNSS as well.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

일본우주항공국에서 공개하고 있는 전 세계 항법위성 관측 자료를[4] 이용하여 MSAS의 모든 지상 기준국에서 관측되는 GPS 위성정보를 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 다음으로 한반도 남해안 관측지점을 선정하여 관측 가능한 GPS 위성 신호정보를 실제 수신기를 이용하여 수집하고, 이를 동일 시간대에 MSAS 지상감 시국에서 관측되는 위성정보와 비교하여 사용 가능한 동일 위성 수를 분석하였으며, DOP를 비교하여 기하학적 배치 정도를 확인하였다. 다음으로는 현재 운용되고 있는 MTSAT 위성에 대한 사용자 위치에서의 적정 신호강도에 대한 실측분석과 MSAS의 DGNSS 기능을 평가하기 위한 위치정밀도를 분석하였다.
다음으로 한반도 남해안 관측지점을 선정하여 관측 가능한 GPS 위성 신호정보를 실제 수신기를 이용하여 수집하고, 이를 동일 시간대에 MSAS 지상감 시국에서 관측되는 위성정보와 비교하여 사용 가능한 동일 위성 수를 분석하였으며, DOP를 비교하여 기하학적 배치 정도를 확인하였다. 다음으로는 현재 운용되고 있는 MTSAT 위성에 대한 사용자 위치에서의 적정 신호강도에 대한 실측분석과 MSAS의 DGNSS 기능을 평가하기 위한 위치정밀도를 분석하였다.
일본우주항공국에서 공개하고 있는 전 세계 항법위성 관측 자료를[4] 이용하여 MSAS의 모든 지상 기준국에서 관측되는 GPS 위성정보를 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 다음으로 한반도 남해안 관측지점을 선정하여 관측 가능한 GPS 위성 신호정보를 실제 수신기를 이용하여 수집하고, 이를 동일 시간대에 MSAS 지상감 시국에서 관측되는 위성정보와 비교하여 사용 가능한 동일 위성 수를 분석하였으며, DOP를 비교하여 기하학적 배치 정도를 확인하였다.

대상 데이터

본 논문에서 실측실험은 한반도 남해안 해안 지역에서 실시하였다. 수신기는 SBAS형 DGNSS 수신기 기능을 갖는 U-BLO사의 EVK-7/EVK-M8 모델을, 자료 분석은 전용 u-center 소프트웨어를 사용하였으며, 2016년 4월 29일 1500시부터 3시간 동안 수집하여 분석하였다.
본 실험에서 사용된 위성은 수신점으로부터 방위 149도 고각 45도에 배치된 위성은 137로써 MSAS 신호의 안정적 수신 상태를 나타내는 반송파대잡음비(C/N)는 최소치 39dB-Hz, 최대치 41dB-Hz, 평균 40.0dB-Hz, 편차 0.3dB-Hz 이며, 이에 대한 통계분포를 그림 4에 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 매우 안정적으로 MSAS 위성 신호가 수신되었으며, GPS 항법위성의 반송파대잡음비(C/N) 크기보다 평균 5dB-Hz 낮지만, DGNSS 정보를 수신하기에는 아무런 문제가 없었다.
본 논문에서 실측실험은 한반도 남해안 해안 지역에서 실시하였다. 수신기는 SBAS형 DGNSS 수신기 기능을 갖는 U-BLO사의 EVK-7/EVK-M8 모델을, 자료 분석은 전용 u-center 소프트웨어를 사용하였으며, 2016년 4월 29일 1500시부터 3시간 동안 수집하여 분석하였다. 실측 실험 시 수신 지역과 MSAS 시스템의 지상감 시국 도쿄지역에서 동시관측이 가능한 가시 GPS 위성 번호는 8, 9, 16, 21, 23, 26, 27, 31 등 이었으며, 이 중 고각이 양호한 40도 이상의 위성 번호는 8, 16, 26, 27로 4개였다.
수신기는 SBAS형 DGNSS 수신기 기능을 갖는 U-BLO사의 EVK-7/EVK-M8 모델을, 자료 분석은 전용 u-center 소프트웨어를 사용하였으며, 2016년 4월 29일 1500시부터 3시간 동안 수집하여 분석하였다. 실측 실험 시 수신 지역과 MSAS 시스템의 지상감 시국 도쿄지역에서 동시관측이 가능한 가시 GPS 위성 번호는 8, 9, 16, 21, 23, 26, 27, 31 등 이었으며, 이 중 고각이 양호한 40도 이상의 위성 번호는 8, 16, 26, 27로 4개였다. 또 위치 정밀도 척도 중의 하나인 기하학적 요소는 표 2와 같이 평균값으로 HDOP 0.
해상용 DGPS는 283.5~325kHz의 중파 비콘을 사용하며, RTCM SC-104 표준 규격으로 송신하여 해상 운용은 물론, 육상까지 확대하여 NDGPS로 운용하고 있다. 우리나라의 DGPS 국가망도 해상용 중파 비콘을 사용하고 해양수산부에서 관리하고 있으며, 해상 및 육상에서 사용이 가능하다[9].

성능/효과

둘째, DGNSS 항법정보 전송 역할을 하는 MTSAT 위성은 수신점으로부터 방위 149도 고각 45도에 배치 된 위성번호 137로써 반송파대잡음비(C/N)는 최소치 39, 최대치 41, 평균 40.0, 편차 0.3dB-Hz로 안정적으로 신호가 수신되고 있음을 확인하였다.
따라서 본 논문은 SBAS형 DGNSS 시스템인 MSAS가 한반도 영역에서 사용 가능한지에 대한 기초연구로써 위성으로부터 수신된 항법파라미터 특성 분석을 통하여 신호사용 가능성에 대해 분석한 결과, GNSS관측 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 MSAS 지상기준국과 한반도 측정지역에서 4개 이상 동일 항법위성이 관측 가능하여 3차원 위치결정이 가능함을 확인하였다.
실측 실험 시 수신 지역과 MSAS 시스템의 지상감 시국 도쿄지역에서 동시관측이 가능한 가시 GPS 위성 번호는 8, 9, 16, 21, 23, 26, 27, 31 등 이었으며, 이 중 고각이 양호한 40도 이상의 위성 번호는 8, 16, 26, 27로 4개였다. 또 위치 정밀도 척도 중의 하나인 기하학적 요소는 표 2와 같이 평균값으로 HDOP 0.8, VDOP 1.4, PDOP 1.7로 양호한 상태를 유지하였으며, 반송파대잡 음비(C/N)는 모두 평균 45dB-Hz 이상 이었다. 한반도에서의 MSAS 유용성에 대한 주요 관건은 MSAS 위성의 반송파대잡음비(C/N) 크기다.
그림 3에서 보는 바와 같이 2016년 4월 28일 17시 21분 기준, 고각 5도 이상의 경우 위성번호 1, 7, 8, 11, 16, 26, 27, 30번 등 8개를 6곳에서 동시 관측될 수 있음을 알 수 있다. 또, 6곳 모두 HDOP는 0.71부터 0.83으로 1 이하의 결과를 보여, 어느 곳에서나 항법위성의 기하학적 배치가 매우 양호함을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 한반도 중부에서도 동시관측 GPS 위성 수는 3차원 위치결정에 필요한 4개 이상을 충족시키지만, 수신점에서 MSAS 위성에서 송신되는 보정정보 신호의 크기, 사용 항법위성의 GDOP 및 수신점과 MSAS 위성간의 이격거리 등에 따라 DGNSS 본연의 위치 개선 정밀도는 달라질 수 있다.
셋째, MSAS 지상감시국과 한반도 남해안 수신점에서의 동시관측 위성과 MSAS 항법정보를 이용한 3차원 위치 정밀도의 분포는 모두 정규분포에 근사한 안정된 상태로 나타났으며, 정밀도의 경우 2drms 2m 이내로 일반적인 DGNSS 수준으로 확인되었다.
첫째, MSAS의 대표적 지상감시국인 도쿄국과 실험 수신점에서 고각 5도 이상의 경우 8개, 마스크 각도를 고려한 고각 40도 이상의 경우 4개의 항법위성이 동시관측되었으며, 위성배치의 기하학적 파라미터도 PDOP 1.7로 양호하게 유지되었다.

후속연구

따라서 MSAS의 지상감시국인 사포로, 도쿄, 나하, 후쿠오카 등지에서 관측되는 GPS 위성이 한반도 지역에서 충분히 관측 가능한지의 여부, 관측되는 공통위성들에 의한 DOP(Dilution Of Precision) 및 2개의 정지위성에서 발사되는 보정신호의 크기를 분석할 필요가 있다. 또 사용자 위치에서 MSAS 위성 신호정보를 이용한 위치 정밀도 분석을 토대로 한반도 영역에서의 MSAS 사용에 대한 평가가 이루어져야한다.
향후 본 연구 결과를 토대로 한반도에서의 MSAS 사용과 신뢰도 및 응용분야 등에 대한 연구를 지속하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DGNSS 시스템은 운용 방법에 따라 어떻게 구분되는가?	DGNSS 시스템의 핵심은 GNSS 위성신호에 포함된오차를 DGNSS 사용자의 수신기에서 제거하여 사용함으로써 위치정확도를 개선함은 물론, 지속성이나 무결성 향상에 도움을 주며, 운용방법에 따라 위성을 이용하여 보정해주는 SBAS(Space Based AugmentationSystem)와 지상기지국을 이용하여 보정해주는 GBAS(Ground Based Augmentation System)로 구분된다[2].일본은 우주개발 프로그램의 일환으로 SBAS형DGNSS 시스템인 MSAS(MTSAT Satellite-basedAugmentation System)을 추진하였으며, 항법 서비스범위가 한반도까지 미치고 있다[3,4].
	세계적으로 위성항법시스템 구축 현황은 어떠한가?	위성항법시스템은 광역서비스가 가능하여 전세계적인 규모의 측위 시스템이라 GNSS (Global NavigationSatellite System) 라 불리고, 세계적으로 미국의 GPS(Global Positioning System), 러시아의 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System), 유럽의GALILEO, 중국의 COMPASS 등이 구축되었거나 구축 중에 있다[1].
	DGNSS 시스템에서 기준국의 역할은 무엇인가?	DGNSS 시스템은 기본적인 GNSS 시스템 구성요소인 위성부문, 지상국부문 및 사용자 부문 3 요소에DGNSS 기준국(Reference Station/DGNSS Site)이 추가된다. 기준국은 자체적으로 오차 보정치를 측정하고 검출하여 DGNSS 보정정보를 사용자에게 전용 통신체계를 통하여 보낸다.

참고문헌 (12)

C. M. Choi and K. S. Ko, "A Study on Development Direction of Navigation System for NAVWAR," International Journal of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 3, pp. 756-763, Mar. 2015.

원문보기 상세보기
M. S. Grewal, A. P. Andrews, and C. G. Bartone, Global Navigation Satellite Systems, Inertial Navigation, and Integration, 3rd ed., NJ: John Wiley & Sons, 2013.
European GNSS Agency. SBAS coverage and status [Internet]. Available: http://egnos-portal.eu/aviation/sbascoverage-and-status.
QZSS Website[Internet]. Available: http://app.qzss.go.jp.
US DOT, DOD, DHS, "2014 Fedral Radionavigation Plan", National Technical Information Service, Springfield: VA, Technical Report DOT-VNTSC-OST-R-15-01, 2015.
US National Coordination Office. Wide Area Augmentation System (WAAS)[Internet]. Available: http://www.gps.gov/.
The European Space Agency. What is EGNOS? [Internet]. Available: http://esa.int/Our_Activities/Navigation/EGNOS/What_is_EGNOS.
India ISRO Satellite Center. GAGAN-GPS Aided GEO Augumented Navigation[Internet]. Available: http://www.isac.gov.in/Navigation/gagan.jsp.
Korea National Maritime PNT Office Website[Internet]. Available: http://www.ndgps.go.kr.
Office of Aeronautical Satellite Systems. Overview of MSAS[Internet]. Available: http://www.unoosa.org/pdf/icg/2008/icg3/08-1.pdf.
International GNSS Service Website [Internet]. Available: http://mgex.igs.org/IGS_MGEX_Status_SBAS.htm.
E. Kaplan and C. Heganty, Introduction to GPS, 2nd ed., MA: Artec House, 2006.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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